一种波浪能发电设备的制作方法

本申请涉及一种波浪能发电设备。

背景技术：

目前，波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能与势能，属于清洁可再生能源。地球上70％的面积被海水所覆盖，海洋波浪能资源巨大，有着广阔的开发价值。由于人类对能源的需求日益增加与非可再生能源储量有限，如今越来越多的科研工作者将目光投向了海洋波浪能，促进了波浪能的发展研究。目前，绝大多数波浪能转换系统由三级能量转换机构组成。其中，一级能量转换机构(波浪能采集装置)将波浪能转换成某个载体的机械能。根据波浪能采集装置的结构机理，可将波浪能收集装置分为点吸收式、振荡水柱式、筏式以及振荡摇摆式。二级能量转换机构为传动装置，将一级能量转换所得到的机械能传递到发电装置中，其主要传动类型有机械式、气动式以及液压式。针对不同的波浪能采集装置，二级能量转换机构的传动环节并不是必备环节，该机构可忽略。三级能量转换机构为发电装置，将二级能量转换所得到的机械能转换为电能。根据发电装置的机理，可将能量转换装置分为电磁型、压电型和电磁聚合物型。

目前，可集成在海上设备平台内收集波浪能的装置相对较少。现有装置一般可采用电磁发电和压电发电两种类型。电磁发电类型应用最多，一般采用弹簧振子结构。搭载平台受海浪作用上下振动，使固定在弹簧活动端的磁体产生受迫上下振动，固定在能量收集器上的感应线圈切割磁感线产生电能输出。由于海洋波浪振动具有频率低的特点，这种电磁发电能量收集装置的磁体振动频率低，使得磁通量的变化率较小，影响了发电输出。压电式波浪能收集装置通常设计成悬臂梁结构，最终将波浪的低频振动转化为悬臂梁的高频振动，从而输出电能。然而，如何设计装置将波浪的低频振动高效地转化为悬臂梁的高频振动是压电式波浪能收集装置的一大难点，制约着压电式波浪能收集装置的发展。因此，压电式波浪能收集装置的研制较少。

申请内容

为解决上述技术问题，本申请的目的是提供一种波浪能发电设备。

本申请涉及一种波浪能发电设备，所述的波浪能发电设备包括机架、设置于所述的机架上的能够随波浪运动而绕转轴上下摆动的摆动机构、设置在所述的摆动机构的上下两侧的压电发电装置，所述的压电发电装置包括固定在机架上的弹性梁、贴合在弹性梁上的压电膜。

优选地，所述的摆动机构包括与所述的机架通过转轴相转动连接的摆杆、设置在所述的摆杆远离转轴的一端的用于在摆动时碰撞所述的弹性梁的质量块。

优选地，所述的波浪能发电设备还包括用于在没有外力时将所述的摆杆维持在水平位置的扭簧，所述的扭簧的一端固定在机架上，扭簧的另一端固定在摆杆上，所述扭簧套设在所述转轴上。

优选地，所述的弹性梁沿水平方向固定设置在机架上，所述的弹性梁的上下两侧粘贴有压电膜，所述的弹性梁具有未被所述的压电膜覆盖的用于与所述的质量块相接触的末端。

优选地，所述的摆动机构的上下两侧的压电发电装置沿摆杆上下对称的设置。

优选地，所述的波浪能发电设备还包括电磁发电装置，所述的电磁发电装置包括设于机架上的靠近所述的摆杆的远离所述的转轴一端的线圈绕组、位于所述线圈绕组中心的硅钢片、位于所述的摆杆的远离所述的转轴的一端的永磁铁阵列。

优选地，所述的质量块包括位于上下两侧的用于撞击是的弹性梁的侧部，所述的上下两侧的侧部之间形成容纳空间，所述的永磁铁阵列容纳于所述的容纳空间内。

优选地，所述的弹性梁为弹性材料制成。

借由上述方案，本申请至少具有以下优点：

本申请所述的波浪能发电设备，将海洋波浪的低频上下振动通过摆动机构和压电发电装置，转化为压电弹性梁的高频自由振动，进而同时进行压电发电，最终实现波浪能的高功率密度输出和较高的能量转换效率。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本申请所述的一种波浪能发电设备的结构示意图；

图2为本申请所述的波浪能发电设备安装在搭载平台上的结构示意图，

其中：1、机架；2、压电发电装置；21、弹性梁；22、压电膜；31、摆杆；32、质量块；33、永磁铁阵列；4、线圈绕组；5、转轴；6、扭簧；100、波浪能发电设备；200、搭载平台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

如图所示，本申请涉及一种波浪能发电设备，所述的波浪能发电设备包括机架、设置于所述的机架上的能够随波浪运动而绕转轴上下摆动的摆动机构、设置在所述的摆动机构的上下两侧的压电发电装置，所述的摆动机构的上下两侧的压电发电装置沿摆杆上下对称的设置。所述的压电发电装置包括固定在机架上的弹性梁、贴合在弹性梁上的压电膜，所述的弹性梁为弹性材料制成，如硅基、金属基、聚合物基等。所述的摆动机构包括与所述的机架通过转轴相转动连接的摆杆、设置在所述的摆杆远离转轴的一端的用于在摆动时碰撞所述的弹性梁的质量块。所述的波浪能发电设备还包括用于在没有外力时将所述的摆杆维持在水平位置的扭簧，所述的扭簧的一端固定在机架上，扭簧的另一端固定在摆杆上。所述的弹性梁沿水平方向固定设置在机架上，所述的弹性梁的上下两侧粘贴有压电膜，所述的弹性梁具有未被所述的压电膜覆盖的用于与所述的质量块相接触的末端。本申请所述的波浪能发电设备，将海洋波浪的低频上下振动通过摆动机构和压电发电装置，转化为压电弹性梁的高频自由振动，进而同时进行压电发电，最终实现波浪能的高功率密度输出和较高的能量转换效率。

所述的波浪能发电设备还包括电磁发电装置，所述的电磁发电装置包括设于机架上的靠近所述的摆杆的远离所述的转轴一端的线圈绕组、位于所述线圈绕组中心的硅钢片、位于所述的摆杆的远离所述的转轴的一端的永磁铁阵列。所述的质量块包括位于上下两侧的用于撞击是的弹性梁的侧部，所述的上下两侧的侧部之间形成容纳空间，所述的永磁铁阵列容纳于所述的容纳空间内。

本发电设备最终可安装在搭载平台内部。搭载平台可以是海上的浮标、航行器等设备。搭载平台在波浪的作用下，产生上下振动，本发电设备再将搭载平台的上下振动的能量进行收集，间接的将波浪能转化为电能。

本申请的工作原理如下：

本发电设备安装在搭载平台内部，在静止时，通过设置扭簧的初始安装角度位置，在摆杆末端的质量块重力和永磁铁阵列重力对转轴的力矩和扭簧的扭矩作用下，使摆杆处于水平位置，即振动平衡位置。在海浪振动作用下，搭载平台随之上下振动，此时摆杆产生受迫振动，永磁铁阵列绕转轴摆动并与线圈绕组产生相对位移，通过法拉第电磁感应定律产生感应电动势；同时，摆杆摆动时，摆杆末端质量块将会与上下两侧的弹性梁末端接触，使弹性梁产生挠曲变形，积累弹性势能，再与弹性梁分离，使弹性梁产生高频率的自由振动，弹性梁上的压电膜按相应频率伸长和压缩，通过压电效应产生电动势，以较高效率输出电能。这样，本装置同时利用电磁发电和压电发电模块，高效率地将波浪上下振动的能量间接转化为电能。

在摆杆处于水平位置，即振动平衡位置时，rθ0＝mgl，其中，m为质量块和永磁铁阵列的质量和，g为重力加速度，l为质量块重心到摆动回转轴的距离，r为扭簧的扭转弹性系数，θ0为扭簧在平衡位置时的初始扭转角度。通过调整扭簧的初始安装角度位置，使得摆杆在质量块重力对转轴的力矩和扭簧扭矩的共同作用下处于水平位置。

本申请所述的发电设备可以根据波浪振动的频率，振幅等条件，通过改变质量块的质量，摆杆的长度和扭簧的弹性系数，来实现工作性能的优化。根据压电材料的压电特性，施加外力的频率对压电材料输出电能的效率有直接影响。可以根据压电膜材料压电特性设计压电弹性梁，使其的自由振动频率满足压电膜的高效率压电电能输出。

电磁发电部分利用电磁感应原理，永磁铁阵列在摆杆往复振动作用下发生往复摆动，磁力线切割绕组线圈，使绕组线圈的磁通量大小随时间改变，从而产生感应电动势。根据法拉第电磁感应定律，电能输出与磁通量变化率有关。合理设置添加硅钢片，达到聚磁效果，可增大磁通量变化率，最终增大电能输出。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，并不用于限制本申请，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。